JP2008163257A - 流動床ガス化装置の運転方法及び流動床ガス化装置並びに石炭ガス化複合発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流動床ガス化装置1のガス化炉2の流動床に、燃料としてアルカリ化合物を含有する固体粒子を添加することにより、石炭をガス化させる。
【選択図】 図1
Description
流動床で石炭の一部を燃焼させると、その燃焼熱により流動床が加熱され、蓄熱して、石炭を持続的にガス化させることができる。
上述のような石炭のガス化装置の問題点の1つは、石炭のガス化速度が遅く、ガス化効率が低いことである。
ガス化効率を高める方法としては、石炭の粒子径を小さくして反応しやすくする、流動床の温度を上げてガス化速度を高める、ガス化炉の容積を大きくして石炭の炉内滞留時間を長くする等の方法が考えられる。
しかしながら、流動床を形成する流動化用粒子としては、その流動性を考慮すると、平均粒径が約0.5mm以上、好ましくは0.5〜2mm程度の大きさである必要があるので、石炭の粒子径を小さくすることには限度がある。
また、ガス化炉の容積を大きくするのにも技術的に制約がある。
したがって、流動床の温度を上げることが、ガス化効率を高める最も現実的な方法であると考えられるが、それにはいくつかの問題が生じる。
通常、ガス化炉内において、流動床は、約800〜1200℃の温度で燃焼している。ところが何らかの要因によって流動床の温度が全体的又は局部的に高くなり、石炭中の灰分の軟化溶融温度以上となると、灰分が、軟化溶融したり、石炭粒子間でバインダーの役目を果たすなどして、クリンカが形成される。
ガス化炉内や、石炭、流動床を形成するためのガス、石炭を燃焼させる酸素を含む燃焼ガス等を供給する配管内等にクリンカが形成されると、それらの供給や装置内での物質流動がうまくいかず、適正な温度調節や流動床形成、燃料の燃焼等が困難になってしまう。
更に、生成したクリンカを除去するために、装置を長時間停止する必要が生じてしまう。また、流動床の温度を上げるためには、多量の燃料を使用する必要があるので、コストが高くなってしまう。
それゆえに、クリンカの形成を防止するためには、流動床の温度を、クリンカ形成温度よりもできるだけ低くすることが望ましい。
しかしながら、単に流動床の温度を低くするだけでは、石炭のガス化速度が遅くなり、ガス化効率が低下してしまう。
しかしながら、使用できる石炭の炭種が制限されることから、コストが高くなるという問題がある。
また、例えば1100〜1200℃といった低融点の灰分を含む炭種や、高融点の灰分と低融点の灰分とが混在する炭種をガス化することは困難である。
流動床の温度が、この反応温度よりも低いと、ガス化反応速度が十分でなかったり、ガス化しない等の問題が生じる。
脱硫剤として石灰石を用いる場合、その脱硫効率は950℃近辺で最も良好であり、温度が高くなりすぎると脱硫性能は低下してしまう。したがって、ガス化炉から導入される石炭ガス化ガスの温度が高すぎると、脱硫炉内の温度も高くなり、脱硫性能が低下する。
このことからも、流動床の温度を上げることは好ましくない。
請求項1に記載の流動床ガス化装置の運転方法は、石炭を流動化用粒子として含むガス化炉を備えた流動床ガス化装置を用い、前記ガス化炉で、酸素を含むガスを流動化用ガスとして用いて流動床を形成するとともに、該ガス中の酸素により石炭を部分燃焼させ、燃焼により発生した二酸化炭素と水蒸気により石炭を石炭ガス化ガスとチャーへ転換する流動床ガス化装置の運転方法であって、前記ガス化炉の流動床に、燃料としてアルカリ化合物を含有する固体粒子を添加することにより、石炭をガス化させることを特徴とする。
このような流動床ガス化装置の運転方法によれば、流動床ガス化装置のガス化炉の流動床に燃料として、また、流動床を形成する流動化粒子として、石炭と混合された際に、石炭ガス化反応の触媒として働くアルカリ化合物を含有する固体粒子が添加され、これにより、ガス化速度が維持されつつ、石炭のガス化反応が生じる反応温度が低下する。
このような流動床ガス化装置の運転方法によれば、カリウム(K)やナトリウム(Na)等を含むアルカリ化合物が多く含まれた、木材、バイオマス及び都市ゴミが、固体粒子として使用される。
このような流動床ガス化装置の運転方法によれば、都市ゴミを加工してできたゴミ固形化燃料が、固体粒子として使用される。
このような流動床ガス化装置の運転方法によれば、固体粒子の平均粒径を0.5mm〜2mm、すなわち、石炭の平均粒径と略同等にすることにより、固体粒子と石炭粒子とを迅速且つ均等に混合しやすくなる。
前記脱硫炉に前記石炭ガス化ガスを導入し、該石炭ガス化ガスを流動化用ガスとして用いて流動床を形成するとともに、該石炭ガス化ガス中の硫黄化合物を石灰石中にCaSとして固定・脱硫することを特徴とする。
このような流動床ガス化装置の運転方法によれば、石炭ガス化ガスは、脱硫炉においてガス中の硫黄化合物が除去された後、発電機を駆動するガスタービンに導かれ、このガスタービンの燃料として使用される。
このような流動床ガス化装置の運転方法によれば、脱硫炉においてガス中の硫黄化合物が除去された石炭ガス化ガスは、ガスタービンの上流側で脱塵装置によりガスに含まれる粒子が分離・除去されるとともに、酸化炉に、ガス化炉からチャー、脱硫炉から石灰石、脱塵装置から粒子がそれぞれ導入された後、酸素を含むガスが導入されて、このガス中の酸素により、チャー及び粒子中の未燃分が燃焼させられるとともに、石灰石中のCaSをCaSO4に酸化し、その酸化によって生じた反応熱で熱交換器内の水又は水蒸気を加熱し、熱交換後のガスがガス化炉へ送給される。熱交換後のガス、すなわち、所望の温度にされたガスがガス化炉へ送給されることによりガス化炉の効率を向上させることができるとともに、水又は水蒸気により回収された熱を、蒸気タービンの駆動に用いれば、蒸気タービンの効率を向上させることができる。
このような流動床ガス化装置によれば、流動床ガス化装置のガス化炉の流動床に、燃料として、また、流動床を形成する流動化粒子として、石炭と混合された際に、石炭ガス化反応の触媒として働くアルカリ化合物を含有する固体粒子が添加され、これにより、ガス化速度が維持されつつ、石炭のガス化反応が生じる反応温度が低下する。
このような流動床ガス化装置によれば、カリウム(K)やナトリウム(Na)等を含むアルカリ化合物が多く含まれた、木材、バイオマス及び都市ゴミが、固体粒子として使用される。
このような流動床ガス化装置によれば、都市ゴミを加工してできたゴミ固形化燃料が、固体粒子として使用される。
このような流動床ガス化装置によれば、固体粒子の平均粒径を0.5mm〜2mm、すなわち、石炭の平均粒径と略同等にすることにより、固体粒子と石炭粒子とを迅速且つ均等に混合しやすくなる。
このような流動床ガス化装置によれば、石炭ガス化ガスは、脱硫炉においてガス中の硫黄化合物が除去された後、発電機を駆動するガスタービンに導かれ、このガスタービンの燃料として使用される。
このような流動床ガス化装置によれば、脱硫炉においてガス中の硫黄化合物が除去された石炭ガス化ガスは、ガスタービンの上流側で脱塵装置によりガスに含まれる粒子が分離・除去されるとともに、酸化炉に、ガス化炉からチャー、脱硫炉から石灰石、脱塵装置から粒子がそれぞれ導入された後、酸素を含むガスが導入されて、このガス中の酸素により、チャー及び粒子中の未燃分が燃焼させられるとともに、石灰石中のCaSをCaSO4に酸化し、その酸化によって生じた反応熱で熱交換器内の水又は水蒸気を加熱し、熱交換後のガスがガス化炉へ送給される。熱交換後のガス、すなわち、所望の温度にされたガスがガス化炉へ送給されることによりガス化炉の効率を向上させることができるとともに、水又は水蒸気により回収された熱を、蒸気タービンの駆動に用いれば、蒸気タービンの効率を向上させることができる。
このような石炭ガス化複合発電システムによれば、ガス化速度を維持しつつ、流動床の温度を低くしてガス化を行うことができ、且つ、多様な炭種の石炭をガス化することができる流動床ガス化装置を具備しているので、石炭ガス化複合発電システム全体の高効率化が図られることになる。
[1]本発明では、木材、バイオマス、及び、ゴミ固形化燃料(RDF:Refuse Derived Fuel)等の都市ゴミからなる群から選択された1種又は2種以上からなる、石炭と同等の粒径の固体粒子を添加することにより、ガス化速度を維持しつつ、石炭のガス化反応が生じる反応温度を低下させることができるので、クリンカ形成を防止することができる。
[2]石炭ガス化の反応温度を低下させることができるので、流動床の温度をクリンカ形成温度よりも低い温度で、低融点の灰分を含む石炭等を含めた多様な炭種の石炭をガス化することができる。
[3]脱硫剤として石灰石を用いる場合に、脱硫炉の温度が脱硫に適した温度よりも高くなりにくく、確実な脱硫を行わせることができる。
本発明においては、木材、バイオマス、及び、ゴミ固形化燃料(以下、「RDF」という)等の都市ゴミが、燃料として、また、流動化粒子として用いられる。
本発明において、バイオマスとは、エネルギー源又は工業原料として利用することのできる有機物を意味しており、例えば、廃木材、枯草木等を例示することができる。
また、都市ゴミとは、レストランやコンビニエンスストア、家庭等から排出される生ゴミや、紙類等の有機廃棄物を意味し、さらに、都市ゴミを加工してできたRDFがある。
流動床の流動化用粒子である石炭の平均粒径は、0.5〜2mmとすることが好ましく、上記固体粒子の平均粒径を石炭と同等にすることにより、固体粒子と石炭粒子とを迅速且つ均等に混合しやすくなる。
木材、バイオマス、及び、RDF等の都市ゴミの配合比は特に限定されない。
木材、バイオマス及び都市ゴミは、カリウムやナトリウム等を含むアルカリ化合物の含有量が多く、このアルカリ化合物が、石炭と混合された際に、石炭ガス化反応の触媒として働くと考えられる。
図4は、触媒としてK2CO3を加えた場合(図において点線で示す)と、K2CO3を加えなかった場合(図において実線で示す)とにおける燃焼の度合(炭素転換率:固体の炭素がどれだけ燃焼してガスになったかを示す)と時間との関係を示すグラフである。図4に示すように、アルカリ化合物を含む触媒を添加することにより、ガス化反応速度が高められていることがわかる。
また、石炭と一緒に又は別々に、木材、バイオマス及び都市ゴミからなる群から選択された1種又は2種以上からなる固体粒子、例えばRDFを添加する。添加する固体粒子の粒径は、流動床を形成することが可能な粒径とし、好ましくは石炭と同等の0.5〜2mmのものを用いる。
そして、ガス化炉2の底部から経路22を介して、流動化ガスとして、空気等の酸素を含むガスを供給することにより、ガス化炉2内に供給された石炭及び固体粒子を流動化するとともに、該ガス中の酸素により石炭を部分燃焼させ、燃焼により発生した二酸化炭素と水蒸気により石炭を石炭ガス化ガスとチャーへ転換する。その主反応は、以下の通りである。
C+CO2 → 2CO
C+H2O → CO+H2
ガス化する石炭は全体の50〜85%程度であり、残りの石炭や生成チャーは、流動化用粒子として流動床11aを形成する等に利用される。
このとき、上記固体粒子を添加したことにより、石炭のガス化反応が生起する温度(反応温度)が低くなっているので、供給する空気量や石炭量を調節して、流動床11aの温度を、反応温度とクリンカ形成温度との間のできるだけ低い温度、好ましくは950〜1000℃、さらに好ましくは800〜950℃とする。
脱硫炉3には、脱硫剤である石灰石を流動化用粒子として供給し、ガス化炉2から導入された石炭ガス化ガスを流動化ガスとして流動床11bを形成する。このとき、脱硫炉3は、石炭ガス化ガスにより、最適な脱硫温度となる温度(950℃程度)に昇温される。
そして、石炭ガス化ガス中のH2Sが、以下の式(1)及び(2)の反応により石灰石と反応し、石灰石の一部がCaSに転換される。
CaCO3 → CaO+CO2 (1)
CaO+H2S → CaS+H2O (2)
しかしながら、脱硫剤として、石灰石に代えて、下記A)〜F)から選択された脱硫剤を用いることにより、900℃以下の温度でも脱硫が可能となる。
A)ドロマイト(CaMg(CO3)2)
B)低品位石灰石(CaCO3含有量95%以下)
C)消石灰(Ca(OH)2)
D)生石灰(CaO)
E)粘土を1〜10質量%含有する石灰石と、A)〜D)から選択された1種又は2種以上との混合物
F)石灰石と、A)〜E)から選択された1種又は2種以上との混合物
一方、取り除かれた粒子(CaSを含有)は、経路24を介して酸化炉7に送られる。
酸化炉7の底部からは、経路27を介して空気が供給され、チャー、石灰石、粒子等によって流動床11cが形成される。酸化炉7内の流動床11cでは、850〜1000℃で、チャー及び前記粒子中の未燃分が燃焼するとともに、粒子及び石灰石中のCaSが以下の反応によりCaSO4に酸化する。
CaS+2O2 → CaSO4
部分酸化炉32 酸素含有ガス:空気
石炭、及び、RDF20/ブレア80の投入量:15kg/h
脱硫炉33 石灰石:平均粒径0.3mm、
井倉産石灰石、(投入量1kg/h)
石炭は、ロックホッパ34からスクリューフィーダ35で定量切り出して空気により気流搬送し、部分酸化炉32の炉底から供給した。RDF20/ブレア80は、RDFをロックホッパ(固体粒子供給手段)36からスクリューフィーダ(固体粒子供給手段)37で定量切り出して空気により気流搬送し、石炭と混合して、部分酸化炉32の炉底から供給した。空気、水蒸気は分散板を通して供給した。
部分酸化炉32の上部に設置してある脱硫炉33に石灰石を供給して脱硫を行った。石灰石は脱硫炉上部のホッパ38からスクリューフィーダ39により定量供給した。なお、本試験で使用した流動床ガス化装置31の脱硫炉33の温度は、部分酸化炉32の運転条件の影響を受けており、脱硫炉33だけ独立して任意の温度条件に設定できない。
部分酸化炉32内への空気の供給量を調節することにより流動床の温度を変化させ、その温度でのガスの発生量及び組成を測定し、チャー等の粒子性状の分析結果を解析して、ガス化反応速度を求めた。その結果を図3に示す。
この結果から、本発明の方法を用いることにより、石炭のガス化反応温度を低下させることができ、石炭単味の場合と比較して、より低い温度で同じ反応速度を得ることが可能になったことは明らかである。
2 ガス化炉
3 脱硫炉
5 脱塵装置
7 酸化炉
8 熱交換器
9 脱塵装置
11a 流動床
11b 流動床
11c 流動床
31 流動床ガス化装置
32 部分酸化炉(ガス化炉)
33 脱硫炉
Claims (13)
- 石炭を流動化用粒子として含むガス化炉を備えた流動床ガス化装置を用い、前記ガス化炉で、酸素を含むガスを流動化用ガスとして用いて流動床を形成するとともに、該ガス中の酸素により石炭を部分燃焼させ、燃焼により発生した二酸化炭素と水蒸気により石炭を石炭ガス化ガスとチャーへ転換する流動床ガス化装置の運転方法であって、
前記ガス化炉の流動床に、燃料としてアルカリ化合物を含有する固体粒子を添加することにより、石炭をガス化させることを特徴とする流動床ガス化装置の運転方法。 - 前記固体粒子が、木材、バイオマス及び都市ゴミからなる群から選択された1種又は2種以上からなることを特徴とする請求項1に記載の流動床ガス化装置の運転方法。
- 前記固体粒子がゴミ固形化燃料であることを特徴とする請求項1に記載の流動床ガス化装置の運転方法。
- 前記固体粒子の平均粒径が、0.5mm〜2mmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置の運転方法。
- 前記流動床ガス化装置が、さらに、前記ガス化炉に連結された石灰石等の脱硫剤を流動化用粒子として含む脱硫炉を備えており、
前記脱硫炉に前記石炭ガス化ガスを導入し、該石炭ガス化ガスを流動化用ガスとして用いて流動床を形成するとともに、該石炭ガス化ガス中の硫黄化合物を石灰石中にCaSとして固定・脱硫することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置の運転方法。 - 前記流動床ガス化装置が、さらに、前記脱硫炉内で脱硫された石炭ガス化ガスを導入し、該石炭ガス化ガスに含まれる粒子を分離・除去する脱塵装置と、水又は水蒸気を加熱するための熱交換器を内蔵する酸化炉とを備え、
前記酸化炉に、前記ガス化炉からチャー、前記脱硫炉から石灰石、前記脱塵装置から粒子をそれぞれ導入した後、酸素を含むガスを導入して、該ガス中の酸素により、前記チャー及び前記粒子中の未燃焼分を燃焼させるとともに、前記石灰石中のCaSをCaSO4に酸化し、その酸化によって生じた反応熱で前記熱交換器内の水又は水蒸気を加熱し、熱交換後のガスを前記ガス化炉へ送給することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置の運転方法。 - 石炭を流動化用粒子として含むガス化炉を備え、当該ガス化炉で、酸素を含むガスを流動化用ガスとして用いて流動床を形成するとともに、該ガス中の酸素により石炭を部分燃焼させ、燃焼により発生した二酸化炭素と水蒸気により石炭を石炭ガス化ガスとチャーへ転換する流動床ガス化装置であって、
前記ガス化炉の流動床に、燃料としてアルカリ化合物を含有する固体粒子を添加する固体粒子供給手段が設けられていることを特徴とする流動床ガス化装置。 - 前記固体粒子が、木材、バイオマス及び都市ゴミからなる群から選択された1種又は2種以上からなることを特徴とする請求項7に記載の流動床ガス化装置。
- 前記固体粒子がゴミ固形化燃料であることを特徴とする請求項7に記載の流動床ガス化装置。
- 前記固体粒子の平均粒径が、0.5mm〜2mmであることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置。
- 前記ガス化炉に連結された石灰石等の脱硫剤を流動化用粒子として含む脱硫炉を備えており、
前記脱硫炉に前記石炭ガス化ガスを導入し、該石炭ガス化ガスを流動化用ガスとして用いて流動床を形成するとともに、該石炭ガス化ガス中の硫黄化合物を石灰石中にCaSとして固定・脱硫することを特徴とする請求項7乃至10のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置。 - 前記脱硫炉内で脱硫された石炭ガス化ガスを導入し、該石炭ガス化ガスに含まれる粒子を分離・除去する脱塵装置と、水又は水蒸気を加熱するための熱交換器を内蔵する酸化炉とを備え、
前記酸化炉に、前記ガス化炉からチャー、前記脱硫炉から石灰石、前記脱塵装置から粒子をそれぞれ導入した後、酸素を含むガスを導入して、該ガス中の酸素により、前記チャー及び前記粒子中の未燃焼分を燃焼させるとともに、前記石灰石中のCaSをCaSO4に酸化し、その酸化によって生じた反応熱で前記熱交換器内の水又は水蒸気を加熱し、熱交換後のガスを前記ガス化炉へ送給することを特徴とする請求項7乃至11のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置。 - 請求項7乃至12のいずれか一項に記載の流動床ガス化装置を具備してなることを特徴とする石炭ガス化複合発電システム。
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